Via LácteaA nossa casa no Universo

Yuri Fregnani

Fregnani@gmail.com

Universidade Federal do ABC – Ensino de Astronomia na UFABC

Quantas estrelas existem na Via Láctea?

Universo observável 100 bilhões de galáxias

Via Láctea 100 bilhões de estrelas

Cérebro 100 bilhões de neurônios

Mitologia

• Segundo a mitologia grega,Héracles, filho de Zeus, foilevado para se alimentar noseio de Hera, sua esposa, edessa forma obteria aimortalidade.

• Entretanto, ao saber queHéracles era, na verdade, filhode Zeus com uma concubinamortal, imediatamenteempurrou o menino, e seuleite derramou por todo océu, formando uma faixaesbranquiçada.

Via Láctea

• Até o começo do séculoXX, a Via Láctea eraconsiderada, pormuitos, como sendotodo o Universo.

• Já no século XVIII, em1755, o filósofoprussiano ImmanuelKant previu a existênciade outras galáxias.

Via Láctea

• Ele deduziu que a Via Láctea era um grande discode estrelas, que tinha se formado de uma nuvemgigante de gás girando. Também sugeriu apossibilidade de que outras nebulosas eram discosde estrelas de tamanho similar.

Via Láctea

• Nos anos 1780, William Herschel, o descobridor doplaneta Urano, produziu um mapa da Via Lácteabaseada em contagens de estrelas.

Via Láctea

• Ele supôs uma magnitude absoluta igual paratodas as estrelas, densidade de estrelas constante,nenhuma extinção interestelar e visão até o limiteda Galáxia, além de colocar o nosso Sol em seucentro.

• Hoje sabemos que a essas são suposições poucorealistas.

https://www.aip.org/history/exhibits/cosmology/ideas/images-ideas/mech-26-lg.gif

Sol

Via Láctea

• A primeira estimativado tamanho da ViaLáctea foi feita no iníciodo século XX, peloastrônomo holandêsJacobus Kapteyn (1851-1922).

Via Láctea

• Fazendo suposições mais realistas quanto àsmagnitudes absolutas, chegou a um modelo da ViaLáctea similar ao de Herschel, um esferóideachatado com densidade de estrelas diminuindo deacordo com a distância ao centro.

Via Láctea

• O Sol continuava no centro, já que ambos nãolevaram em conta a extinção interestelar, que fazcom que a distância de vista seja comparável emtodas as direções no disco, onde fica a poeira. Ouseja, olhando da Terra, temos a impressão de que,em todas as direções dentro do disco, as estrelasse estendem até uma mesma distância de nós.

Esferóide

Via Láctea

• Pouco antes, HarlowShapley, um astrônomoestadunidense, haviaencontrado que adistribuição deAglomerados Globulares,que são sistemasesféricos de estrelas, écentrada na região daconstelação Sagitário,vendo-se pouco dessesaglomerados em outrasdireções.

Via Láctea

• Ele concluiu que o centro da Via Láctea deveriaestar naquela direção, a uns 15 kpc do Sol (quaseduas vezes o valor atual), e que o diâmetro deve serda ordem de 100 kpc (também quase duas vezes otamanho atual).

Sol

Centro da Via Láctea

Aglomerados Globulares

Lembrando que, 1 pc equivale a:

3,26156 anos-luz206265 AU3,086 ×1013 km3,086×1016 metros

Via Láctea

• O fato de nos encontrarmos dentro da Via Lácteadificulta a determinação da estrutura por dois motivos:

• É difícil determinar a estrutura de um Disco estando dentrodele.

• A poeira bloqueia nossa visão em diversas direções dentrodo Disco.

• Isto também afeta outras observações astronômicas,por exemplo as extragalácticas.

Poeira

Zona VaziaUma zona com pouco poeira, existindo uma “janela” que

permite a observação

http://www.ccvalg.pt/astronomia/galaxias/via_lactea/mosaico_via_lactea_verao.jpg

Via Láctea

• Para contornar o problema da poeira, fazemosobservações em outras faixas do espectroeletromagnético, como infravermelho, onde apoeira é menos opaca.

• Um outro jeito de observarmos seria esperar 15milhões de anos, quando o Sol estará a 85 pc “acima” do plano central e, então, fora do disco depoeira.

Poeira Zona Vazia

Ótico

Infravermelho

http://www.math.ucr.edu/home/baez/milky_way.jpg

A Morfologia da Via Láctea

• Com os dados disponíveis hoje, através da observação emdiversas frequências e pelo uso de satélites, sabemos que a ViaLáctea é formada por cincos estruturas básicas:

• Disco: contendo maioria das estrelas (entre elas o Sol), gás epoeira.

• Bojo (ou bulbo): Central, contendo estrelas, gás e poeira.

• Halo Estelar: contendo os aglomerados globulares (aqueles queShapley havia observado).

• Halo de Matéria Escura

• Núcleo: contendo um Buraco Negro supermaciço.

http://www.easynotecards.com/uploads/1184/95/_90838c384_144fee962ba__8000_00000491.jpg

https://geopolicraticus.files.wordpress.com/2011/08/milky-way-schematic.jpg

O Disco Galáctico

• A Via Láctea é provavelmente uma galáxia espiral e éno Disco Estelar que ficam os Braços Espirais. Estima-se que o diâmetro do disco está entre 40 kpc a 50kpc. O Sol fica a R0 ≈ 8 kpc do Centro Galáctico e ~30pc “a cima” do plano.

• O círculo com raio R0 em torno do Centro se chamaCírculo Solar. O Sol orbita o Centro Galáctico a maisou menos 220 km/s e demora por volta de 230milhões de anos para completar uma volta.

O Disco Galáctico

• Formado pelas estrelas mais jovens de cor azulada,além das nuvens de poeira, gás e por aglomeradosabertos. As estrelas do disco, têm um movimentode translação em volta do núcleo.

• Todas as estrelas que observamos no céu noturno,estão localizadas no disco galáctico.

• As regiões mais centrais do disco é onde ocorre amaior formação de estrelas.

Braços Espirais

• Do que são feitos os Braços Espirais?

• Do mesmo material que o resto do disco, mas comdensidade ligeiramente maior.

• Os Braços Espirais são mais brilhantes que o restodo disco por serem regiões de formação estelar.

Braços Espirais

• Além de fragmentos de braços como o Braço de Órion ouLocal, com o Sistema Solar estando perto ou dentro dele.

• Também há indícios de que nossa Galáxia possua umade 4.4 kpc de comprimento.

• A Via Láctea tem quatrograndes Braços Espirais:

• Braço de Perseu• Braço de Norma• Scutum-Crux• Carina-Sagittarius

Bojo

• O bojo, que contém o núcleo, é uma região esféricade 2000 pc de raio, envolvendo o núcleo.

• É constituído principalmente por estrelas velhas.

Tipos de estrelas na Via Láctea

• Quais são os tipos de estrelasque existem na nossa galáxia?

• Para identificarmos elas,precisamos saber o que sãoPopulações Estelares.

• Walter Baade (1893-1960),usando o telescópio de 2,5 mdo observatório de MountWilson, estudou a galáxiaAndrômeda e notou quepodia distinguir entre duaspopulações estelares.

Tipos de estrelas na Via Láctea

• População I: estrelas típicas para a vizinhança solar(estrelas "normais") - Estrelas OB azuis, novas,nebulosas planetárias. Estas também se encontramem aglomerados abertos, no meio interestelar enos braços espirais. Têm alta metalicidade e sãofrequentemente jovens.

Tipos de estrelas na Via Láctea

• População II: Na Via Lactea, as “estrelas de altavelocidade” (Halo) aglomerados globulares:Gigantes Vermelhas, sub-anãs. Estrelas velhas debaixa metalicidade.

• Atualmente o termoPopulação Estelar éusado também paraconjuntos de estrelascom história deformação em comum.

Aglomerados Estelares

Aglomerados AbertosMaioria no Disco

Aglomerados GlobularesMaioria no Halo

Halo Estelar

• O halo tem uma forma esférica e é constituída porpartículas ultra excitadas a alta temperatura, alémde anãs vermelhas, anãs brancas e poraglomerados globulares, que estão em órbita emtorno do centro de massa galáctica.

http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/multimedia/hot_gas_halo.html

The Milky Way's Hot Gas Halo

Halo Estelar

• Não é possível observar o halo opticamente. Asestrelas que formam os aglomerados globulares,que têm forma esférica, são as mais antigas dagaláxia. Acredita-se que sua estrutura sejagigantesca.

• A sua massa fica entre 5 à 10 vezes maior do que amassa dos disco, bojo e núcleo juntos. Sua forma,seus componentes e seus limites no espaçointergaláctico ainda não são completamenteconhecidos.

Campo Magnético Galáctico

• Como era esperado, a ViaLáctea possui um campomagnético.

• Usamos a polarização daradiação, tanto óticaquanto a de rádio,refletida pelos grãos depoeira que se alinhamcom o Campo MagnéticoGaláctico, paradeterminá-lo.

Campo Magnético Galáctico

• Apesar de fraco, o campo magnético galácticoprovavelmente teve um papel importante naformação e na evolução da Via Láctea.

• No Disco, o campo segue os Braços Espirais, e é daordem de 0.4 nT, chegando a 1 μT perto do CentroGaláctico. Para comparação, o campo magnético daTerra é ~50 μT na superfície e um ímã de geladeiracomum tem 0,05 T.

Curva de Rotação da Via Láctea

• As estrelas da Via Láctea,como o Sol, semovimentam em órbitascirculares em torno doCentro Galáctico, juntocom o gás.

• A velocidade de rotaçãode uma estrela nadistância r do Centrodepende da massa daGaláxia contida noespaço no interior da suaorbita.

Curva de Rotação da Via Láctea

• Porém, estudando a rotação da Galáxia,observa-se que o perfil de rotação caimenos rapidamente com r aumentando,do que sugerido pelos componentesobservados da Galáxia, com estrelas, gásinterestelar, etc.

• Isso nos leva a pensar que deva existiruma componente extra, invisível na ViaLáctea. Essa componente é chamada deHalo de Matéria Escura.

Halo - Matéria Escura

• Além da parte “visível”do halo galáctico, existeuma região muito maisextensa, conhecida comoo halo sombrio, quecontém grandesquantidades de matériaescura.

• Essa matéria correspondea 95% da massa total daVia Láctea!

O que é a Matéria Escura?

• A matéria escura não emite luz, não interage coma matéria normal e não pode ser detectada portelescópios.

• É uma matéria invisível, que só pode ser detectadade modo indireto pela força gravitacional queexerce.

O que é a Matéria Escura?

• Existem duas possibilidades:

• WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles):partículas massivas interagindo pela força fraca.São partículas elementares interagindo com o restoda matéria só pela força fraca e pela gravitação, porexemplo os neutrinos. São praticamente invisíveis.

• A palavra inglesa wimp também significa chorão.

O que é a Matéria Escura?

• MACHOs (MAssive Compact Halo Objects): objetosdo halo massivos e compactos, em portuguêschamados de machões. São objetos compactos,entre eles:• Anãs Marrons

• “Júpiters”

• Estrelas comuns, mas de baixo brilho

• Anãs Brancas

• Estrelas de Néutrons

• Buracos Negros

Como detectar MACHOs?

• Usamos o efeito lente, que é uma consequência darelatividade geral. A massa do MACHO distorce aluz da estrela de fundo, quando ele passa na frentedela, fazendo com que a luz da estrela seja focadana Terra parecendo mais brilhante por algumashoras.

• A partir da curva de luz daestrela é possíveldeterminar a massa doMACHO.

Chorões Machões

Como detectar MACHOs?

• O indício de que um MACHO está passando emfrente a uma estrela de fundo é o pico naintensidade luminosa da estrela.

• O pico é bastante visível e podeser observado por telescópios.É possível também plotar umgráfico mostrando o quanto aintensidade luminosa aumentaem um determinado intervalode tempo.

http://www.physast.uga.edu/~rls/1020/ch22/22-12.jpg

O Projeto MACHO

• Foram observadas 12 milhões de estrelas naGrande Nuvem de Magalhães entre 1992 e 1998com um telescópio no observatório Mt. Stromlo naAustrália.

• Detectaram o que seria uma estimativa do númerototal de MACHOs na Via Láctea.

• Determinando as massas destes MACHOs,consegue-se estimar a massa total de MACHOs emnossa Galáxia.

O Projeto MACHO

• O Projeto e outros, similares, detectaram váriosMACHOs, logo, sabemos que eles existem. Porém,não chegam nem perto do número/massasuficiente para explicar a Matéria Escura na ViaLáctea. Eles compõem menos de 1% do númerosuficiente.

O Projeto MACHO

• Desse modo, a Matéria Escura deve ser na maioriade WIMPs, que são partículas elementares aindanão detectadas.

• Os chorões derrotaram os machões!

MachõesChorões

O Centro Galáctico

• A parte mais difícil de observar da Via Láctea é oCentro, que está escondido atrás de poeira. Assim,algumas observações são feitas no infravermelho.

• Indo mais para o interior, entre os 2 pc centrais, adensidade parece aumentar rapidamente.

O Centro Galáctico

• Nesta região, as estrelas orbitam um centro demassa, tão rapidamente que é possível observar omovimento.

https://www.youtube.com/watch?v=opUkRkexw10

https://universe-review.ca/I05-01-SgrA.gif

O Centro Galáctico

• A estrela mais próxima do Centro Galáctico é a S2.Ela orbita o centro invisível do núcleo Galáctico emapenas 15.2 anos, chegando a 120 AU do Centro,uma órbita só 4 vezes a de Plutão em torno do Sol!

• Nos 120 AU internos da Galáxia se concentra umamassa de 3,7 milhões MSol.

http://apod.nasa.gov/apod/ap021018.html

O que poderia ser aquela concentração de massa?

• Existe uma fonte misteriosa de radiaçãoinfravermelha nessa região, chamada IRS 16.Aparentemente é composta de poucas estrelas dealta massa, mas isso não explica os 3,7 milhõesMSol na região.

O que poderia ser aquela concentração de massa?

• Observações no rádio mostraram que existe umdisco nuclear de gás neutro de alguns 100 pc a 1 kpcdo Centro, um pouco inclinado com respeito ao DiscoGaláctico. De lá saem filamentos de ~20 pc seguindoo Campo Magnético Galáctico. Estes indicam umfluxo de material deixando a região central.

http://cosmobrain.com.br/cosmoforum/viewtopic.php?t=3591

Centro da Via Láctea visto no rádio

O que poderia ser aquela concentração de massa?• Um “zoom” na região central deste disco revela a

fonte rádio Sagitário A, que pode ser estudadocom uma resolução de 2 AU, empregandointerferometria.

• Lá encontramos um disco molecular de 2 pc a 8 pcdo Centro, de 300K a 400K, mais de 20 vezes maisquente e 150 vezes mais denso que nuvensmoleculares no Disco.

O que poderia ser aquela concentração de massa?

• O que é esta fonte de rádio, com raio de nomáximo 120 AU, massa de 3,7 milhões MSol e queemite relativamente pouca radiação?

O que poderia ser aquela concentração de massa?• A única explicação que conhecemos para um objeto

tão denso e escuro é um Buraco NegroSupermaciço.

• Em contraste com os Buracos Negros Estelares,formados na morte de estrelas e que possuemmassas bem menores, os Buracos NegrosSupermaciços foram formados por imensasnuvens de gás ou por aglomerados de milhões deestrelas.

O que poderia ser aquela concentração de massa?• Provavelmente, isso aconteceu quando colapsaram

sobre a sua própria gravidade quando o universoainda era bem mais jovem e denso.

Sgr A*

http://apod.nasa.gov/apod/ap121102.html

The Black Hole in the Milky Way Image Credit: NASA, JPL-Caltech, NuSTAR

project

Vizinhança da Via Láctea

• A Via Láctea não está sozinha. Embora a distânciaque separa as galáxias seja imensa, seus diâmetrossão igualmente grandes.

• Em comparação com a distância entre as estrelas,as galáxias ficam relativamente perto uma dasoutras. O que gera interação e, em alguns casos,colisão entre elas.

Vizinhança da Via Láctea

• Quando as galáxias colidem, elas na verdade seatravessam, as estrelas não se chocam, devido àsimensas distâncias interestelares. Mas as colisõestendem a distorcer a forma de uma galáxia.

http://apod.nasa.gov/apod/ap040612.html

Choque Via Láctea e Andrômeda

• Andrômeda é a nossa vizinha galáctica. As duasgaláxias estão se aproximando devido à gravidade queexercem uma sobre a outra. Acredita-se que elascomeçarão a se fundir dentro de 4 bilhões de anos. Edentro de outros 2 bilhões de anos elas deverão seruma única entidade.

• As duas galáxias estão separadas por uma distância de2,5 milhões de anos-luz, mas estão convergindo a umavelocidade de aproximadamente 400 mil km/h.

• Vídeo

Choque Via Láctea e Andrômeda

• As estrelas individualmente não irão colidir, mas o abalo gravitacionaldeverá mudar a localização do Sistema Solar. Nosso sistemaprovavelmente deverá sobreviver a essa fusão, sendo incorporado nanova galáxia elíptica gigante.

• É provável que a fusão provoque uma vigorosa fase de formação denovas estrelas e que nuvens de gás serão abaladas e passem a colidirumas com as outras.

• É bem possível que a pequena galáxia de Triangulum, também chamadade M33 e menor do que a Via Láctea e Andrômeda, também entre na"dança".

• Simulação da colisão entre duas galáxias:

http://apod.nasa.gov/apod/ap130514.html

ResumoA Via Láctea é classificada como do tipo SBbc pela sequência de Hubble, uma galáxia espiral barrada tipo bc.

• Massa total: ~2·1012 MSol

• Diâmetro:

• Número de Estrelas: 2 a 4 · 1011

• Luminosidade: 3.6·1010 LSol

• Idade: ~13 bilhões de anos

• Distância Sol-Centro: 8 kpc

• Comprimento da Barra: 4,4 kpc.

• Buraco Negro Central: 3,7 milhões MSol

• ~50 kpc (Disco)• 200 kpc (Halo Estelar)• 460 kpc (Halo de Matéria Escura)

Referências

• Conjunto de imagens da Via Láctea em diferentes espectros -http://goo.gl/BVFGcO

• Infográfico com a Via Láctea em diferentes espectros -http://goo.gl/7u91SX

• Conjunto de imagens da Via Láctea em diferentes espectros -http://goo.gl/wAv5uj

• Infográfico com resumo de informações da Via Láctea -http://goo.gl/TS3zB

• Infográfico sobre microlentes gravitacionais -https://lcogt.net/files/spacebook/Gravitational%20Microlensing%20timeline.png

Referências

• Apresentação da UFRGS sobre o Centro Galáctico -http://www.if.ufrgs.br/~mgp/notas/ast_extragal/centro_galactico.pdf

• Aula do Profº Pieter Westera sobre a Via Láctea -http://professor.ufabc.edu.br/~pieter.westera/AstroAula10.pdf

• Kepler de Souza Oliveira e Maria de Fátima; “Astronomia & Astrofísica”. Editora Livraria da Física

• Sueli M. M. Viegas e Fabíola de Oliveira; “Descobrindo o Universo”. Editora Edusp

Obrigado!